Kari Pihala KUPARIELEKTROLYYSIN PROSESSISUUREIDEN SEURANTA

Transkriptio

1 Kari Pihala KUPARIELEKTROLYYSIN PROSESSISUUREIDEN SEURANTA Kemiantekniikan koulutusohjelma 2012

2 KUPARIELEKTROLYYSIN PROSESSISUUREIDEN SEURANTA Pihala, Kari Satakunnan ammattikorkeakoulu Kemiantekniikan koulutusohjelma Maaliskuu 2012 Ohjaaja: Vanha Aho, Tuula; lehtori, SAMK Valvoja: Luhtanen, Pekka; tutkimus- ja kehitysinsinööri, BOHA Sivumäärä: 56 Liitteitä: 3 Asiasanat: kupari, elektrolyysi, mallintaminen, vertailu, tapaustutkimus Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kuparielektrolyysissä käytettäviä prosessisuureita ja selvittää niiden vaikutuksia prosessin toimivuuden kannalta. Työssä luotiin uudistettu kuparielektrolyysin kvalitatiivinen prosessimalli, jossa keskityttiin suureiden vaikutuksiin katodin laatuun, sähköenergian kulutukseen sekä höyryn kulutukseen. Tarkoituksena oli lisäksi vertailla muiden laitosten käyttämiä operointiarvoja Boliden Harjavalta Oy:n (BOHA) kuparielektrolyysissä käytettäviin arvoihin ja pyrkiä ymmärtämään, miten niiden vaihtelu vaikuttaa prosessin toimivuuteen. Kvalitatiivista prosessimallia käytettiin case-esimerkissä selventämään elektrolyysiprosessissa tapahtuvia muutoksia. Kvalitatiivisessa prosessimallissa keskityttiin erityisesti prosessiin suoraan vaikuttaviin suureisiin sekä merkittävimmin epäsuorasti vaikuttaviin suureisiin. Havaittiin, että käytännössä kaikki suureet vaikuttavat jossakin määrin koko prosessin toimivuuteen. Laitosten operointiarvoja vertailtaessa erityistä huomiota herätti BOHA:n tuotantolaitoksen matala rikkihappopitoisuus elektrolyytissä, jonka vaikutus nähdään erityisesti muita laitoksia matalampana elektrolyytin johtokykynä. Huomiota herättävää oli myös Porin tuotantolaitoksen elektrolyytin korkea kuparipitoisuus, joka vaikuttaa elektrolyytin viskositeettiin ja tiheyteen nostavasti sekä johtokykyyn laskevasti. Esimerkkiin valittiin kolme ensimmäisen kasvujakson allasryhmää, joista tutkittava ryhmä oli kytketty suunniteltua myöhemmin. Todettiin, että tutkittavassa katodijaksossa rihtaus oli onnistunut hyvin sekä katodien ja anodien fysikaalinen laatu oli ollut hyvä johtuen oikosulkujen vähäisestä määrästä sekä hyvästä allaspainosta. Lisäksi todettiin, että kytkentälämpötilan pienellä nostolla voi olla parantava vaikutus elektrolyysiprosessin toimivuudelle.

3 CONTROL OF PROCESS QUANTITIES IN COPPER ELECTROREFINING Pihala, Kari Satakunta University of Applied Sciences Degree Programme in Chemical Engineering March 2012 Supervisor: Vanha Aho, Tuula; Lecturer, SAMK Supervisor: Luhtanen, Pekka; Research & Development Engineer, BOHA Number of pages: 56 Appendices: 3 Keywords: copper, electrolysis, modeling, comparison, case study The purpose of this thesis was to study the process quantities in copper electrolysis and clarify their effects on the functionality of the process. Updated qualitative process model was created in the work, which concentrated on cathode quality, energy consumption and steam consumption. The aim was also to compare the operating values of Boliden Harjavalta Oy s (BOHA) facility with other facilities and try to understand how their variation affects the functionality of the process. The qualitative process model was used in case study to clarify changes in copper electrolysis process. The qualitative process model focused especially on the directly affecting quantities as well as the most significant indirectly affecting quantities of the process. It was observed that in practice all the quantities have some influence on the functionality of the entire process. Comparing the values of the electrolysis plants, particularly the low sulfuric acid concentration in the electrolyte in the BOHA s facility was noticed. It leads to lower conductivity of the electrolyte than in other facilities. Also the high concentration of copper in the electrolyte in the BOHA s electrolysis plant was noticed. It elevates the viscosity and density of the electrolyte and lowers the conductivity. In the case study three cells of the first cathode cycle was selected. The studied section was switched on the current later than planned. It was verified, that in the studied cathode cycle spacing and the physical quality of cathodes and anodes have been good due to the low amount of short circuits and good cell weight. It was also discovered, that a little rise of temperature at which the current is switched on, can improve the functionality of the copper electrolysis process.

4 ALKUSANAT Tämä opinnäytetyö on tehty kevään 2012 aikana Boliden Harjavalta Oy:lle Porin kuparielektrolyysiin. Työhöni on vaikuttanut joukko ihmisiä, joita haluan erityisesti kiittää. Boliden Harjavalta Oy:n henkilöstöstä haluan kiittää erityisesti Pekka Luhtasta työni valvonnasta sekä tuhansista hyvistä neuvoista, jotka auttoivat tuotokseni valmistumisessa. Petri Latostenmaata, Kari Lehtosta, Tarmo Starckia sekä Jukka Rantalaa haluan kiittää mielenkiinnosta työtäni kohtaan sekä lukuisista neuvoista opinnäytetyöhöni liittyen. Outotec Oyj:ltä suuret kiitokset ansaitsevat Henri Virtanen sekä Ville Nieminen, jotka jaksoivat kärsivällisesti opastaa minua työni tekemisessä sekä antaa tärkeää tietoa kuparielektrolyysistä. Lopuksi haluan kiittää Satakunnan ammattikorkeakoulusta työni ohjaajaa Tuula Vanha-Ahoa opastuksesta työni tekemisessä sekä Timo Hanneliusta arvokkaista neuvoista työhöni sekä muihin käytännön asioihin liittyen. Porissa maaliskuussa 2012 Kari Pihala

5 SISÄLLYS 1 JOHDANTO BOLIDEN HARJAVALTA OY LYHYESTI KUPARIN PYROMETALLURGINEN VALMISTUS KUPARIN ELEKTROLYYTTINEN PUHDISTUS Talteenottoelektrolyysi (electrowinning) Elektrolyyttinen puhdistus (electrorefining) KUPARIELEKTROLYYSIPROSESSIN LÄHTÖSUUREET Virrantiheys Elektrolyytin lämpötila Liuosvirtaus Elektrolyytin H 2 SO 4 -pitoisuus Elektrolyytin Cu-pitoisuus Elektrolyytin epäpuhtaudet Elektrolyytin lisäaineet Elektrodien välimatka (rihtaus) Kestokatodien laatu Anodien fysikaalinen laatu Anodien kemiallinen laatu Katodien kasvujakso Kontaktien kunto Allaspeitteiden käyttö KUPARIELEKTROLYYSIN KVALITATIIVINEN PROSESSIMALLI Katodin laatu Ajoparametrit Elektrolyytin kiintoainepitoisuus Elektrolyytin viskositeetti ja tiheys Anodien passivoituminen Virranjakautuma altaassa Elektrolyytin johtokyky Sähköenergian kulutus Virtahyötysuhde Jännitehäviö Oikosulut Höyryn kulutus PORIN KUPARIELEKTROLYYSIN JA MUIDEN TUOTANTOLAITOSTEN OPEROINTIARVOJA... 37

6 7.1 Elektrolyytin aineominaisuudet Viskositeetti ja tiheys Johtokyky Jännitehäviö elektrolyytissä CASE MUUTOS AJOPARAMETREISSÄ Taustatietoja Katodianalyysit Anodianalyysit Elektrolyyttianalyysit YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET LÄHTEET LIITTEET

7 7 1 JOHDANTO Tämän työn tarkoituksena on tutkia kuparielektrolyysissä käytettäviä prosessisuureita ja selvittää niiden vaikutuksia prosessin toimivuuden kannalta. Erityisesti keskitytään suureiden vaikutuksiin katodin laatuun, sähköenergian kulutukseen sekä höyryn kulutukseen. Työssä luodaan uudistettu kuparielektrolyysin kvalitatiivinen prosessimalli, jossa keskitytään erityisesti prosessiin suoraan vaikuttaviin suureisiin sekä merkittävimmin epäsuorasti vaikuttaviin suureisiin. Mallin tarkoituksena on selventää prosessin toimintaa ja näin auttaa selvittämään prosessin ajon aikana ilmeneviä ongelmia. Tarkoituksena on lisäksi selvittää muiden laitosten käyttämiä operointiarvoja ja vertailla niitä Boliden Harjavalta Oy:n (BOHA) Porin kuparielektrolyysissä käytettäviin arvoihin. Tavoitteena on pyrkiä ymmärtämään, miksi tiettyjä operointiarvoja käytetään eri laitoksissa ja miten niiden vaihtelu vaikuttaa prosessin toimivuuteen. Kvalitatiivista prosessimallia käytetään case-esimerkissä selventämään elektrolyysiprosessissa tapahtuvia muutoksia. Lisäksi tällä pyritään havainnollistamaan, miten kyseinen malli käytännössä toimii. 2 BOLIDEN HARJAVALTA OY LYHYESTI Kuparisulatto aloitti toimintansa Outokummun nimellä Imatralla vuonna Liiketoiminta siirrettiin jatkosodan kuluessa henkilöstöineen Harjavaltaan vuonna Kuparielektrolyysi aloitti toimintansa Porissa vuonna Harjavallassa kehitettiin täysin uudenlainen ja energiatehokkuudeltaan mullistava kuparirikasteiden liekkisulatusmenetelmä, joka otettiin käyttöön vuonna Menetelmä on maailman yleisin kuparirikasteiden sulatustapa, ja sitä kehitetään koko ajan. /1/

8 8 Vuonna 2004 Outokumpu Harjavalta Metals yhdisti toimintojaan ruotsalaisen Boliden AB:n kanssa. Outokumpu Oy:n ja Boliden AB:n sinkki- ja kuparikaivostoiminnot sekä sulattotoiminnot fuusioituivat. Tällöin Outokumpu Harjavalta Metals Oy nimettiin Boliden Harjavalta Oy:ksi ja Outokumpu Zinc Oy Boliden Kokkola Oy:ksi. Boliden Harjavalta Oy:n henkilöstömäärä on noin 400. /2/ Boliden Harjavalta sulattaa kupari- ja nikkelirikasteita ja jalostaa kuparia. Päätuotteita ovat kuparikatodi, kulta ja hopea, joiden lisäksi yhtiö valmistaa sivutuotteena rikkihappoa. Yhtiön tuotantolaitokset sijaitsevat Harjavallassa ja Porissa. Harjavallassa toimivan sulaton tuottamat kuparianodit jatkojalostetaan kuparikatodeiksi Porin kuparielektrolyysissä. Kuparielektrolyysi tuottaa myös kultaa ja hopeaa. Tuotantokapasiteetti on tonnia anodikuparia ja tonnia katodikuparia vuodessa. Kuparirikasteista suurin osa tulee ulkopuolisilta kaivoksilta eri puolilta maailmaa, esimerkiksi Portugalista ja Etelä-Amerikasta. Nikkelisulatossa sulatetaan asiakkaan omistamia nikkelirikasteita palvelusulatuksena. /1/ Perustiedot BOHA:sta sekä tuotannon määrät nähdään taulukoista 1 ja 2 sekä kuparituotannon prosessikaavio löytyy kuvasta 1. Taulukko 1. Boliden Harjavalta Oy:n perustietoja vuodelta /1/ Avaintietoja 2010 Perustettu 1936 Tuotteet kupari, kulta ja hopea Liikevoitto (MSEK) 154 Investoinnit (MSEK) 122 Henkilöstön keskivahvuus 396 Taulukko 2. Boliden Harjavalta Oy:n kuparirikastesulatuksen, nikkelirikastesulatuksen sekä katodituotannon määrät vuonna /1/ Tuotanto 2010 Kuparirikastesulatus (tonnia) Nikkelirikastesulatus (tonnia) Kuparikatodituotanto (tonnia)

9 9 Kuva 1. Boliden Harjavalta Oy:n kuparituotannon prosessikaavio. /2/ 3 KUPARIN PYROMETALLURGINEN VALMISTUS Harjavallassa kehitetty liekkisulatusmenetelmä kuuluu maailman merkittävimpiin metallurgisiin keksintöihin. Liekkisulatusmenetelmällä tuotetaan yli puolet maailman kuparista. Liekkisulatusmenetelmästä tekee ainutlaatuisen se, että siinä käytetään hyväksi rikasteessa oleva rikin ja raudan palamislämpö, joten ulkopuolista energiaa ei tarvita. Liekkisulatuksessa kaasujen ja pölyjen käsittely on tehokasta, mikä on ympäristön kannalta positiivinen asia. /1/ Liekkisulatusuunissa tapahtuvat pääreaktiot: 2 CuFeS O 2 Cu 2 S + 2 FeO + 3 SO 2 2 FeO + SiO 2 Fe 2 SiO 4 FeS + Cu 2 O FeO + Cu 2 S

10 10 Reaktiot ovat eksotermisia eli ne vapauttavat runsaasti energiaa. Tämän vuoksi reaktiotuotteet, hiekka ja kaasuseos, kuumenevat 1300 C:een. /3, s / Sulanut massa putoaa liekkisulatusuunin alaosaan muodostaen kaksi sulaa kerrosta, jotka ovat kuonakerros ja kivikerros. Kuparikivi sisältää kuparin (noin %) lisäksi rautaa, nikkeliä ja rikkiä. Kuparikivi johdetaan ulos uunista ja kuljetetaan konvertointiin. Kuparikiveä kevyempi kuona lasketaan ulos uunista ja sen annetaan jähmettyä. Kuonan sisältämä kupari (noin 1 %) otetaan talteen ennen kuonan läjitystä. Rikastus tapahtuu vaahdottamalla hienonnettua kuonaa. /3, s. 73/ Sulatusprosessissa syntyvät kaasut, joilla on korkea SO 2 -pitoisuus, ohjautuvat jätelämpökattilaan. Jätelämpökattilassa kaasujen lämpötila alenee noin 350 C:een ja talteen saadulla lämmöllä tuotetaan korkeapaineista höyryä. /3, s. 73/ Polttokaasuista erotetaan niiden mukanaan kuljettama rikastepöly ohjaamalla se sähkösuodattimien läpi. Talteen saatu pöly palautetaan takaisin sulatusprosessiin ja pölyvapaat rikkipitoiset kaasut johdetaan rikkihapon valmistusprosessiin. /3, s. 73/ Liekkiuunissa sulatettu kuparikivi konvertoidaan raakakupariksi Peirce-Smithtyyppisissä konverttereissa. Konvertoinnin pääreaktiot ovat seuraavat: FeS + 1½ O 2 FeO + SO 2 2 FeS + SiO 2 Fe 2 SiO 4 Cu 2 S + O 2 2 Cu + SO 2 Tämän jälkeen raakakupari käsitellään anodiuunissa ja valetaan muottiin (kuva 2). Tuotantoanodien paino vaihtelee eri laitoksissa kg:n välillä ja niiden mitat ovat yleisesti välillä: pituus 0,9 1,1 m; leveys 0,9 1,0 m ja paksuus 3,5 6,0 cm. Kuparielektrolyysiprosessin toimivuuden kannalta on erittäin tärkeää, että valetut anodit ovat kaikki painoltaan mahdollisimman samoja. /4/ BOHA:n sulaton anodikupari sisältää keskimäärin 99 % kuparia ja tuotantoanodin paino on tyypillisesti 400 kg. /1/

11 11 Kuva 2. Kuparianodien valu. /1/ 4 KUPARIN ELEKTROLYYTTINEN PUHDISTUS Kuparia ei pystytä puhdistamaan riittävästi vaativiin käyttötarkoituksiin pelkästään pyrometallurgisin keinoin, joten käytännössä kaikki tuotettava puhdas metallinen kupari valmistetaan elektrolyyttisesti joko elektrolysoimalla epäpuhtaat anodit puhtaiksi katodeiksi (electrorefining) tai pelkistämällä kupari liuotuksen jälkeen elektrolyyttisesti liuoksesta (electrowinning). /5, s. 3/

12 Talteenottoelektrolyysi (electrowinning) Winning-elektrolyysillä tarkoitetaan kuparin sähköistä pelkistystä suoraan liuoksesta. Liuos valmistetaan liuottamalla kuparipitoisia rikasteita rikkihappoon ja uuttamalla kupari tästä liuoksesta puhtaaksi kuparisulfaattisulfaattiliuokseksi. Anodeina menetelmässä käytetään liukenemattomia anodeja (yleisesti lyijyanodit). Puhdistetun kuparin kuparipitoisuus on 99,99+ %, jolloin se soveltuu kaikkiin teollisiin käyttötarkoituksiin. Tällaiseen puhtausasteeseen ei päästä pyrometallurgisin keinoin. /5, s. 3/ Winning-prosessissa kuparia saostetaan katodin pinnalle noin viikon ajan, jonka jälkeen haponkestävän teräslevyn päälle muodostunut kupari irrotetaan koneellisesti emälevystään. Nämä kuparilevyt pestään ja myydään. Prosessissa voidaan käyttää myös kuparisia siemenlevyjä, jolloin koko katodi pestään ja myydään. /6, s. 327/ Anodireaktio, jossa vesi hajoaa hapeksi ja vedyksi, on täysin erilainen kuin raffinointielektrolyysissä: H 2 O H + + OH - ½ O H e - E = -1,23 V Katodireaktio on seuraava: Cu e - Cu katodi E = +0,34 V Talteenottoelektrolyysin kokonaiskennoreaktio on anodireaktion ja katodireaktion summa: Cu 2+ + SO H 2 O Cu katodi + ½ O H SO 4 E = -0,89 V Talteenottoelektrolyysissä anodin ja katodin välinen jännite on teollisissa prosesseissa noin 2 V. 4.2 Elektrolyyttinen puhdistus (electrorefining) Raffinointimenetelmällä tuotetaan suurin osa elektrolyyttisesti puhdistetusta kuparista. Menetelmässä epäpuhtaat kuparianodit liuotetaan sähköisesti ja liuotettu kupari saostetaan puhtaana katodikuparina.

13 13 Prosessin tarkoituksena on: eliminoida sellaiset epäpuhtaudet, jotka rajaavat kuparin käyttöä (sähkönjohtokyky, mekaaniset ominaisuudet) saada talteen arvokkaat epäpuhtaudet (kulta, hopea, platinametallit) Tuote on sekä fyysisesti että kemiallisesti samanlaista katodikuparia kuin winninglaitoksissa tuotettu puhdas kupari (99,99+ % Cu). /5, s. 3/ Kuparia liuotettaessa sähkökemiallisesti anodista elektrolyyttiin syntyy kuparikationi ja kaksi elektronia: Cu anodi Cu e - E = -0,34 V Elektrolyyttiin liuenneet kuparikationit kulkeutuvat katodille konvektion ja diffuusion ajamina. Kohdatessaan katodin pinnan kuparikationi ja elektronit muodostavat puhdasta katodikuparia: Cu e - Cu katodi E = +0,34 V Kokonaiskennoreaktio on seuraava: Cu anodi Cu katodi E = 0 V Kokonaiskennoreaktion teoreettinen potentiaali on 0 volttia, mutta reaktio ei kuitenkaan tapahdu spontaanisti, vaan kennoon on syötettävä sähkövirtaa eri vastusten voittamiseksi. Tällöin saadaan potentiaaliero anodin ja katodin välille. Tämän lisäksi kuparin liuottaminen anodilta tarvitsee noin 0,1 V:n ylijännitteen ja katodin pinnoittuminen kuparilla noin 0,05 V:n ylijännitteen. Teollisissa prosesseissa anodin ja katodin jännite on noin 0,3 V. /6, s. 269/ Elektrolyysisysteemin toimintaa on havainnollistettu kuvassa 3.

14 14 Kuva 3. Kaaviokuva elektrolyysisysteemistä. /5, s. 4/ Jatkossa keskitytään käsittelemään perusteellisemmin vain kuparin elektrolyyttistä puhdistusta (raffinointia). 5 KUPARIELEKTROLYYSIPROSESSIN LÄHTÖSUUREET Seuraavassa esityksessä keskityttiin kuparielektrolyysiprosessin lähtösuureisiin, joita muuttamalla voidaan vaikuttaa prosessin toimivuuteen. Oikeilla lähtösuureilla saavutetaan paras mahdollinen katodin laatu yhdistettynä mahdollisimman pieneen sähköenergian kulutukseen ja höyryn kulutukseen.

15 Virrantiheys Virrantiheys elektrolyysiprosessissa määritellään yleisesti katodisena virrantiheytenä. Tällä tarkoitetaan elektrolyysialtaaseen syötetyn virran määrää katodilevyjen elektrolyyttipinnan alapuolella olevaa pinta-alaa kohden. Virrantiheystaso kuparielektrolyysissä on A/m 2. /5, s. 10/ Virrantiheys vaihtelee, koska elektrodit ovat altaassa kytketty rinnan ja sähkövirta kulkee sieltä, mistä vastus on matalin. Virrantiheyden vaihtelu saattaa johtua mm. fysikaalisesti huonolaatuisista anodeista, rihtausvirheistä (elektrodien etäisyydet), kontaktien huonosta kunnosta (lika kontaktipaikoissa) sekä anodien passivoitumisesta. /5, s. 10/ Korkea virrantiheys nopeuttaa kuparin saostumista katodille, mutta saattaa aiheuttaa kasvannaisten muodostumista katodilla. Tämän seurauksena katodille saattaa päästä epäpuhtauksia elektrolyytti- ja liejusulkeumina alentaen katodin laatua. Liian korkea virrantiheys aiheuttaa myös oikosulkuja. /7, s. 268/ Rajan virrantiheyden maksimiarvolle asettaa anodien passivoituminen. Liian korkea virrantiheys aiheuttaa anodilla liiallista kuparin liukenemista ja lisää näin Cu 2+ - pitoisuutta anodin pintakerroksessa. Anodin pinnalle muodostuu CuSO 4 5H 2 O- kerros, joka estää anodin liukenemisen. Passivoitumisen todennäköisyys kasvaa, kun elektrolyytti sisältää enemmän Cu 2+ :aa, rikkihappoa ja sulfaatteja. Nikkelin korkea pitoisuus elektrolyytissä kasvattaa myös passivoitumisen riskiä muodostaen anodilla eristävän NiSO 4 xh 2 O-kerroksen. Ongelma kasvaa, jos epäpuhtaudet anodilla muodostavat yhtenäisen kerroksen. Anodit, joilla on korkea Ni-, Sb-, Sn- sekä Pbpitoisuus, passivoituvat helpommin. Elektrolyytin lisäaineet voivat myös osaltaan vaikuttaa anodien passivoitumiseen. /7, s.268/ Passivoitumista voidaan yleisesti ehkäistä käyttämällä virrantiheyden arvoa alle 350 A/m 2 riippuen anodin sisältämistä epäpuhtauksista. Elektrolyytin kloridipitoisuuden kasvattaminen ehkäisee osaltaan passivoitumista. Lisäksi elektrolyytin korkea lämpötila ehkäisee passivoitumista parantaen kiinteän CuSO 4 5H 2 O:n liukoisuutta. /7, s.268/

16 Elektrolyytin lämpötila Elektrolyytin lämpötila vaikuttaa voimakkaasti kaikkien reaktioiden nopeuksiin ja tasapainoihin sekä elektrolyytin aineominaisuuksiin. Elektrolyytin lämpötilaa pidetään yllä sähkö- ja höyryenergian avulla. Elektrolyysialtaisiin syötettävä elektrolyytti lämmitetään höyryllä lämmönvaihtimien avulla ja elektrolyysialtaissa elektrolyytin sähkövastus kuluttaa sähköenergiaa, joka muuttuu lämmöksi. Lämpöä poistuu elektrolyytistä säteilemällä ja johtumalla elektrolyysialtaiden pohjien, reunojen sekä putkiston kautta ja elektrolyytin pinnalta sekä veden haihtuessa altaista. /5, s. 9/ Elektrolyytin normaali syöttölämpötila on noin 65 C. Elektrolyytin korkea lämpötila: lisää CuSO 4 5H 2 O:n liukoisuutta ehkäisten anodien passivoitumista; alentaa elektrolyytin viskositeettiä ja tiheyttä, mikä helpottaa liejun laskeutumista altaan pohjalle; nopeuttaa elektrodireaktioita. Liian korkea lämpötila johtaa liialliseen haihtumiseen ja energian kulutukseen sekä lisää orgaanisten lisäaineiden hajoamista. /7, s. 266/ Porin kuparielektrolyysissä asetuslämpötilat syöttöliuoksille ovat 65 C ja kaikkien kuuden elektrolyysikierron lämpötiloja valvotaan. /5, s. 9/ 5.3 Liuosvirtaus Elektrolyytin kaikkia ominaisuuksia tasoitetaan kierrättämällä elektrolyyttiä altaiden läpi sekä sekoittamalla eri altaiden kierrot. Elektrolyytin syötöllä kontrolloidaan mm. elektrolyytin lämpötilaa ja lisäainepitoisuutta. Liuospoistolla kontrolloidaan liuenneiden epäpuhtauksien pitoisuutta elektrolyytissä. /5, s. 10/ Lisäksi kuparipitoisuuteen voidaan vaikuttaa liuossiirroilla. Kuparipitoisuuden noustessa voidaan kuparia poistaa lisäämällä liuospoistoa. Liuospuhdistuksessa kupari poistetaan kuparisulfaattina, kuparinpoistokatodina ja kupariarsenidina (kuva 4). Ku-

17 17 paripitoisuuden laskiessa voidaan syötettävään liuokseen liuottaa kuparisulfaattia. On kuitenkin muistettava, että kuparipitoisuuden säätö on hidasta. /5, s. 7 8/ Elektrolyyttiliuos Vakuumi kiteytin CuSO 4 5H 2 O Kuparin poistoelektrolyysi I Katodikupari Kuparin poistoelektrolyysi II Cu 3 As-sakka Vakuumi haihdutin NiSO 4 H 2 O 70 % H 2 SO 4 Kuva 4. Liuospuhdistuksen prosessikaavio. BOHA:ssa liuossyötön tavoitearvo on 20 l/min/allas. 5.4 Elektrolyytin H 2 SO 4 -pitoisuus Rikkihappo muodostaa kuparisulfaatin kanssa peruselektrolyytin. Vapaan rikkihapon tasoa laskevat kemiallisesti liukenevat kupari ja kuparioksiduuli. /5, s. 8/ Kuparielektrolyysissä elektrolyytin rikkihappopitoisuus on normaalisti g/l. Mitä korkeampi happopitoisuus on, sitä parempi on elektrolyytin johtokyky. Näin ollen korkea rikkihappopitoisuus pienentää sähköenergian kulutusta, mutta lisää kuparin korroosiota. /7, s. 261/

18 18 BOHA:n Porin kuparielektrolyysissä rikkihappopitoisuus pyritään pitämään välillä g/l. Syy matalahkoon rikkihappopitoisuuteen on tavoite pitää kokonaissulfaattipitoisuus riittävän alhaalla anodien passivoitumisen ehkäisemiseksi. On myös viitteitä siitä, että matalalla rikkihappopitoisuudella katodien kemiallinen laatu on parempaa. /5, s. 8/ Rikkihappopitoisuutta säädetään ensisijaisesti väkevän rikkihapon lisäyksillä elektrolyyttiin ja pitoisuutta voidaan alentaa liuospoiston kautta. /5, s. 8/ 5.5 Elektrolyytin Cu-pitoisuus Elektrolyytin toinen peruskomponentti on kuparisulfaatti, jonka tehtävänä on ylläpitää elektrodien läheisyydessä sellaista kuparitasoa, että elektrodireaktiot jatkuvat häiriöttömästi. Elektrolyysin pääreaktiossa kupari liukenee anodilta ja saostuu katodille sähkökemiallisesti. Reaktio ei vaikuta kuparipitoisuuteen. Varausekvivalenttimäärä kuparia saostuu katodilla ja elektrolyytin kuparitaso vähenee sitä nopeammin, mitä epäpuhtaampi anodi on (anodilla liukenee myös epäpuhtauksia). /5, s. 7/ Anodin kuparioksiduuli liukenee elektrolyytin vapaan hapon vaikutuksesta kemiallisesti nostaen elektrolyytin kuparipitoisuutta. Kuparitaso kohoaa myös elektrolyyttiin sekoittuvan ilman hapen vaikutuksesta. Liuennut happi vaikuttaa elektrolyytissä olevan yksiarvoisen kuparin tasapainoon aikaansaaden kuparin korroosioreaktion. Tämän lisäksi anoditilan kuparipulveri ja yhdenarvoinen kupari osallistuvat muihin erinäisiin reaktioihin, jotka mahdollisesti vaikuttavat kuparitasoon /5, s. 7/ Virran kulkiessa elektrolyysissä se aiheuttaa pitoisuuseroja sekä katodin että anodin pintakerroksessa. Anodin pintakerroksessa kuparipitoisuus kasvaa ja katodin pintakerroksessa se vastaavasti pienenee. Nämä konsentraatioerot saavat aikaan ns. luonnollisen sekoituksen elektrodien välillä. Anodin pintakerroksessa enemmän kuparia sisältävä raskas liuos vajoaa alaspäin ja katodin pintakerroksessa vähemmän kuparia sisältävä kevyt liuos nousee ylöspäin. Tämän seurauksena altaan pohjassa kuparipitoisuus on suurempi kuin pintakerroksessa. Altaassa sekoitus tapahtuu nimenomaan luonnollisen sekoituksen kautta, jota on havainnollistettu kuvassa 5. /5, s. 7/

19 19 Kuva 5. a) Elektrolyytin luonnollinen kierto ja b) kuparin pitoisuusprofiili elektrodien välissä. /5, s. 7/ Tuotantolaitoksissa elektrolyytin Cu-pitoisuus on normaalisti g/l. Sähkönjohtokyky laskee elektrolyytin kuparipitoisuuden noustessa. Tämä aiheuttaa sähköenergian kulutuksen kasvua. Liian korkea kuparipitoisuus saattaa johtaa anodien passivoitumiseen ja se myös nostaa elektrolyytin viskositeettiä. Viskositeetin kasvu vaikuttaa kiintoainepartikkelien laskeutumisnopeuteen elektrolyytissä johtaen katodin laadun heikkenemiseen epäpuhtauksien päästessä liejusulkeumina katodille. /7, s. 261/ Porin tuotantolaitoksessa elektrolyytin Cu-pitoisuus pyritään pitämään välillä g/l. Tällä pitoisuudella anodien passivoitumista ei ole todettu tapahtuvan, mikäli muut ajoparametrit ovat kohdallaan. /5, s.8/ 5.6 Elektrolyytin epäpuhtaudet Käytännössä kaikki elektrolyytin sisältämät epäpuhtaudet ovat peräisin anodilta. Oleellisimpia näistä epäpuhtauksista ovat nikkeli, arseeni, antimoni ja vismutti. Antimoni ja vismutti ovat elektrolyytissä dynaamisessa tasapainossa eli liukenemisnopeus anodeista ja saostumisnopeus elektrolyytistä ovat tasapainossa. Saostuminen tapahtuu yleisesti antimoni- ja vismuttiarsenaatteina, joiden liukoisuus elektrolyyttiin

20 20 on merkittävästi pienempi kuin elektrolyytissä vallitseva pitoisuus. Näin ollen elektrolyytti on ylikylläinen näiden suhteen ja ylikylläisyys saattaa nopeasti purkautua näiden alkuaineiden ylimääräisenä saostumisena. Saostumista tapahtuu esim. putkistoihin (putkistosakka). Tasapainoon vaikuttaa erityisen voimakkaasti elektrolyytin lämpötila. /5, s. 8/ Epäpuhtauksista lähinnä nikkeli ja arseeni määräävät, kuinka paljon liuosta otetaan liuospuhdistukseen. Anodianalyysistä riippuen määräävä komponentti voi olla myös kupari. Liuospuhdistukseen otettavan elektrolyytin sisältämä antimoni ja vismutti poistuvat myös elektrolyysistä, mutta näiden alkuaineiden pääasiallinen poistuminen elektrolyytistä tapahtuu kuitenkin arsenaattisaostumisen kautta. /5, s. 8/ Liukoinen nikkeli esiintyy elektrolyytissä sulfaattina (NiSO 4 ) ja arseeni yleisimmin arseenihappona (H 3 AsO 4 ). Pieni osa arseenista on syytä pitää kolmiarvoisena, koska se puskuroi haitallista antimonin hapettumista viisiarvoiseksi. Liukoinen nikkeli vaikuttaa haitallisesti elektrolyysiprosessiin nostamalla elektrolyytin kokonaissulfaattipitoisuutta. Tämä saattaa johtaa anodien passivoitumiseen. Korkeat nikkeli- ja arseenipitoisuudet vaikuttavat myös heikentävästi katodin laatuun mm. liuossulkeumina. /5, s. 8 9/ BOHA:n Porin raffinointilaitoksen epäpuhtauspitoisuuksien raja-arvoja: Ni, max. 15 g/l As, max. 20 g/l As 3+, max. 5 g/l 5.7 Elektrolyytin lisäaineet Lisäaineiden käyttö on erittäin tärkeää, jotta saadaan tuotettua hyvää katodilaatua. Lisäaineiden avulla katodille saadaan saostettua tasainen, tiheä ja puhdas kuparikerros. Lisäaineet vaikuttavat kuparin kidekokoon sekä niiden vaikutuksesta kupari saostuu katodille tasaisesti. /6, s. 277/

21 21 Tärkein katodin pinnan tasaisuuteen vaikuttava lisäaine on proteiinikolloidinen luuliima, joka koostuu suurista proteiinimolekyyleistä (moolimassa g/mol). Luuliiman proteiinimolekyylit muodostavat elektrolyyttiin suurikokoisia kationeja. /6, s. 277/ Toinen katodin tasaisuuteen vaikuttava orgaaninen lisäaine on tiourea. Orgaanisten lisäaineiden vaikutus perustuu niiden adsorptioon katodin pintaan sekä kompleksinmuodostukseen kupari-ionien kanssa. Näin ollen ne säätelevät paikallista aineen- ja varauksenkuljetusta katodin pinnalla. Tuloksena on tasaisempi saostuma ja pienempi kidekoko. Oleellista on kaikkien lisäaineiden yhteisvaikutus. /5, s. 9/ Orgaanisten lisäaineiden lisäksi elektrolyyttiin lisätään tarvittaessa kloridia. Kloridilisäys tehdään normaalisti syöttämällä elektrolyyttiin jalometallista saatavaa suolahappoliuosta. Lisäaineiden aktiiviseen pitoisuuteen vaikuttavat hydrolyysi, adsorptio katodille ja kiintoaineisiin, vuorovaikutukset epäpuhtauksien kanssa sekä hajoaminen. Tämän takia lisäainesyöttö elektrolyyttiin pitää olla tasaista ja jatkuvaa. Lisäaineiden leviäminen kaikkiin elektrolyysialtaisiin taataan syöttämällä lisäaineita kiertosäiliöihin, jolloin ne sekoittuvat hyvin ja leviävät kaikkiin altaisiin mahdollisimman tasaisesti. /5, s. 9/ Luuliiman syöttömäärä elektrolyysissä on normaalisti g/t katodia. Luuliima hajoaa elektrolyytissä ja sen puoliintumisaika on noin 3 4 tuntia riippuen elektrolyytin koostumuksesta ja lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa (> 70 C) luuliiman hajoaminen lisääntyy huomattavasti. Myös rikkihappo katalysoi luuliiman hajoamista. Liian suuri luuliiman määrä elektrolyytissä johtaa karkeisiin, uurteisiin ja hauraisiin kerrostumiin katodilla. Liian pieni luuliimapitoisuus ei pysty estämään kasvannaisten muodostumista katodilla. /7, s / Tiourean määrä elektrolyysissä on yleisesti g/t katodia. Jos tioureaa käytetään ylimäärin, se voi nostaa katodin rikkipitoisuutta. /7, s / Elektrolyytin kloridipitoisuutta on katodin laadun kannalta tärkeä seurata, sillä liian korkea Cl-pitoisuus (> 100 mg/l) aiheuttaa pistekorroosiota haponkestävissä kestokatodilevyissä. /7, s. 265/

22 22 Porin kuparielektrolyysin tavoitesyöttömäärät tuotantoaltaiden lisäaineille ovat: 100 g luuliimaa/t katodia 60 g tioureaa/t katodia elektrolyytin kloridipitoisuus 50 mg/l 5.8 Elektrodien välimatka (rihtaus) Elektrodien välimatkalla tarkoitetaan elektrodien välistä etäisyyttä elektrolyysialtaassa. Mitä pienempi elektrodien välinen etäisyys on, sitä pienempi on jännitehäviö. Jännitehäviöön elektrolyysialtaassa vaikuttaa juuri eniten elektrodien välinen etäisyys, ja jännitehäviö altaassa määrää sähköenergian kulutuksen kuparikiloa kohden. Näin ollen, mitä suurempi allasjännite on ja mitä pienempi virtahyötysuhde on, sitä suurempi on ominaisenergian kulutus. /5, s. 11/ Rihtausvirheillä tarkoitetaan elektrodien väärää asentoa altaassa. Tällaiset rihtausvirheet aiheuttavat epätasaisen virranjakautuman ja johtavat kasvannaisten muodostumiseen katodilla ja oikosulkuihin. 5.9 Kestokatodien laatu Kuparielektrolyysissä katodeina voidaan käyttää haponkestävästä teräksestä valmistettuja kestokatodeja (kuva 6) tai ohuita kuparisia siemenlevyjä. Kestokatoditekniikkaa käytettäessä lähtökatodin päälle saostetaan kuparia elektrolyysiprosessin aikana ja saadaan lopputuotteena kuparikatodi. Katodit pestään ja kupari irrotetaan koneellisesti haponkestävästä teräslevystä, jonka jälkeen puhtaat kuparikatodit ovat valmiita pakattaviksi ja myytäviksi. Kestokatoditekniikka antaa mahdollisuuden korkeampien virrantiheyksien käytölle (> 300 A/m 2, siemenlevyjä käytettäessä noin 250 A/m 2 ). Tämän takaa kestokatodien suoruus (tasomaisuus), jolloin virranjakautuma elektrolyysialtaassa on tasaisempi kuin kuparisilla siemenlevyillä. Näin oikosulkujen määrä elektrolyysissä on paremmin hallittavissa. /7, s /

23 23 Kuva 6. Kestokatodi. Modernit raffinointilaitokset, kuten BOHA:n Porin kuparielektrolyysi, käyttävät kestokatodeja. Etenkin alueilla, joissa työvoimakustannukset ovat korkeita (mm. Eurooppa ja Pohjois-Amerikka), käytetään kestokatoditekniikkaa. Vuonna 2010 noin puolet maailman laitoksista käytti kestokatodeja. /7, s. 259/ Kestokatodien laadulla, varsinkin fysikaalisella laadulla, on huomattava merkitys elektrolyysiprosessin toimivuudelle. Huonolaatuiset kestokatodit (esim. pinnan tasomaisuus huono) aiheuttavat epätasaisen virranjakautuman elektrolyysialtaassa herkistäen prosessin oikosuluille. Myös katodin pinnalle tarttunut vieras partikkeli saattaa johtaa oikosulkuun Anodien fysikaalinen laatu Anodien fysikaalisella laadulla tarkoitetaan anodilevyn tasomaisuutta, ripustuskorvien taipumaa ja paksuutta, erilaisten kasvannaisten ja riisteiden suuruutta, paksuuseroja sekä anodien painopoikkeamaa. Anodien fysikaalisella laadulla on suuri merkitys elektrolyysiprosessin toimivuuteen (mm. virtahyötysuhteeseen), joten BOHA:ssa on

24 24 tehty erillinen laatuspesifikaatio, joka määrittelee anodeilta vaaditun kemiallisen ja fysikaalisen laadun. /5, s. 5/ Fysikaalisesti huonolaatuiset anodit aiheuttavat epätasaisen virranjakautuman, joka johtaa kasvannaisten muodostumiseen katodilla ja oikosulkuihin huonontaen elektrolyysin virtahyötysuhdetta Anodien kemiallinen laatu Anodien kemiallisella laadulla tarkoitetaan sen sisältämiä epäpuhtauspitoisuuksia. Käytännössä kaikki elektrolyytin epäpuhtaudet ovat peräisin anodilta, joten anodien hyvä kemiallinen laatu on tärkeä osa toimivaa elektrolyysiprosessia. /5, s. 5/ Paljon epäpuhtauksia sisältävät kemiallisesti huonolaatuiset anodit lisäävät elektrolyytin epäpuhtaustasoa sekä passivoituvat helpommin Katodien kasvujakso Kuparikatodit kasvatetaan elektrolyysiprosesseissa tyypillisesti 6 8 vuorokauden jaksoissa, jonka jälkeen altaisiin vaihdetaan stripatut kestokatodit. Raffinointiprosessissa yhdestä anodista kasvatetaan normaalisti kolme katodia. Anodi liukenee reaktion edetessä samalla nopeudella kuin katodi kasvaa, joten kasvujakson aikana anodin ja katodin pintojen välinen etäisyys pysyy vakiona. Yksittäisen kasvujakson aikana allasjännitteessä ei näin ollen tapahdu suuria muutoksia paitsi oikosulkujen seurauksena. Katodien strippauksen yhteydessä elektrodien etäisyys ja siten elektrolyytin vastus kasvavat, koska uusien kestokatodilevyjen myötä liuostila anodi-katodivälissä suurenee, joten allasjännite näin ollen kasvaa. Kolmannen kasvujakson jälkeen altaat tyhjennetään elektrolyytistä, anodilieju pestään talteen ja altaisiin vaihdetaan uudet anodit. Käytetyt anodit palautetaan sulattoon. Tuotantolaitokset toimivat normaalisti 21 vuorokauden sykleissä siten, että pesu- tai katodinvaihtovaiheita on kerrallaan vain pienessä osassa altaita. /8, s. 21/

25 Kontaktien kunto Elektrolyysissä elektrodikontaktit ovat anodien korvan ja virtakiskon välillä sekä kestokatodin ripustustangon virtakontaktin ja virtakiskon välillä. Allasta ladattaessa on kiinnitettävä erityistä huomiota, että elektrodien ja virtakiskojen kosketuspinnat ovat puhtaat ja kosteat. /5, s. 12/ Huono kontaktien kunto (esim. lika kontaktipaikoissa) aiheuttaa epätasaisen virranjakautuman, josta seuraa kasvannaisten muodostumista katodilla ja näin myös oikosulkuja Allaspeitteiden käyttö Allaspeitteitä käytetään minimoimaan haihtumista ja lämpöhäviöitä altaassa, näin vähentäen energiankulutusta. /7, s. 254/ Allaspeitteiden käyttö vaikeuttaa oikean lämpötilan säätöä. Kun allaspeite on päällä, elektrolyytin lämpötila nousee ja kun se on poissa, lämpötila laskee. Tällainen usean asteen vuorokautinen lämpötilavaihtelu ei ole hyväksi elektrolyysiprosessille. /5, s. 9/ 6 KUPARIELEKTROLYYSIN KVALITATIIVINEN PROSESSIMALLI Seuraavassa esityksessä tarkasteltiin lähtösuureiden vaikutuksia kolmeen tärkeään muuttujaan, jotka ovat katodin laatu, sähköenergian kulutus sekä höyryn kulutus. Nämä muuttujat määräävät elektrolyysiprosessin kannattavuuden. Esityksessä keskityttiin jokaiseen muuttujaan erikseen ja selvitettiin, mitkä suureet vaikuttavat niihin eniten. Erityisesti tarkasteltiin prosessiin suoraan vaikuttavia suureita sekä merkittävimmin epäsuorasti vaikuttavia suureita. Näistä vaikutuksista luotiin uudistettu kuparielektrolyysin kvalitatiivinen prosessimalli, jonka tarkoituksena on selventää prosessin toimintaa.

26 Katodin laatu Katodien laatu jaetaan kahteen osa-alueeseen: kemialliseen ja fysikaaliseen laatuun. Katodien kemiallinen laatu on määritetty erillisessä standardissa (BS EN 1978:1998). Kyseinen standardi määrittää sallitut maksimiepäpuhtauspitoisuudet eri katodilaaduille ja BOHA:n elektrolyysin tavoitteena on valmistaa standardin mukaista korkealaatuista katodikuparia (Cu-CATH-1). BOHA:n katodi on LME:ssä (London Metal Exchange) luokiteltu omana tuotemerkkinään (BCH). /5, s. 6/ LME Grade A (Cu- Cath-1) -kuparikatodien epäpuhtauksien suurimmat sallitut pitoisuudet on taulukoitu liitteessä 1. Katodien fysikaalinen laatu on standardissa määritelty varsin yleisesti, minkä vuoksi BOHA:ssa on laadittu oma laatuspesifikaatio, joka määrittää kemiallisen laadun lisäksi myös fysikaalisen laadun. Katodin kokonaislaatu saadaan määriteltyä yhdistämällä fysikaalinen ja kemiallinen laatu. Kuitenkaan fysikaalinen laatu ei nosta kokonaislaatuluokitusta, jos katodien kemiallinen laatu ei täytä spesifikaatiossa määriteltyä laatua. /5, s. 6/ Kuvassa 7 on havainnollistettu korkealaatuisen ja huonolaatuisen katodikuparin ulkonäöllistä eroa sekä kuvassa 8 prosessisuureiden vaikutusta katodin laatuun. Kuva 7. Vasemmalla korkealaatuista katodikuparia, oikealla vastaavasti huonolaatuista katodikuparia.

27 27 Lähtösuureet Ajoparametrit Virrantiheys 2 Elektrolyytin lämpötila Elektrolyytin kiintoainepit Liuosvirtaus 4 Elektrolyytin H 2 SO 4 -pit. 5 Elektrolyytin Cu-pit. Elektrolyytin 6 Elektrolyytin viskositeetti epäpuhtaudet Katodin laatu ja tiheys Anodien passivoituminen Elektrolyytin lisäaineet 8 Rihtaus 9 Kestokatodien laatu 10 Anodien fys. laatu Virranjakau- 11 Anodien tuma altaassa kem. laatu 12 Katodien kasvujakso Elektrolyytin johtokyky Kontaktien kunto 14 Allaspeitteiden käyttö Kuva 8. Kaavio katodin laatuun vaikuttavista prosessisuureista (punaiset numerot ovat muuttujiin suoraan vaikuttavia lähtösuureita) Ajoparametrit Katodin laatuun vaikuttavat käytännössä kaikki lähtösuureet ja näiden suureiden yhteisvaikutus määrää saatavan laadun ja kuparin saannin. Jos tarkoituksena on tuottaa standardien mukaista korkealaatuista katodikuparia, kaikkien ajoparametrien yhteisvaikutus on tärkein ja yksittäisen lähtösuureen arvo pitää olla laitoksessa määrättyjen asetusarvojen mukainen.

28 28 Tärkeimpiä katodin laatuun vaikuttavia suureita ovat: Virrantiheys Mahdollisimman korkea virrantiheys ( A/m 2 ) nopeuttaa kuparin saostumista katodille. Liian korkea virrantiheys (> 350 A/m 2 ) aiheuttaa kasvannaisten muodostumista katodilla näin heikentäen katodin laatua. Elektrolyytin lisäaineet Lisäaineiden (luuliima, tiourea ja kloridi) riittävä pitoisuus elektrolyytissä takaa tasaisen, tiheän ja puhtaan kuparin saostumisen katodille. Alhainen lisäaineiden pitoisuus aiheuttaa katodin laatuongelmia (mm. kasvannaisia, epäpuhtauspitoisuuksien nousua). Rihtaus Elektrodien tasainen asettelu (välimatka) altaassa takaa häiriöttömän kuparin saostumisen katodille. Rihtausvirheet aiheuttavat kasvannaisten muodostumista katodilla. Kestokatodien laatu Tasomaiset haponkestävästä teräksestä valmistetut kestokatodilevyt ovat edellytys kuparin tasaiselle saostumiselle. Pinnaltaan huonolaatuiset kestokatodilevyt aiheuttavat mm. kasvannaisten muodostumista Elektrolyytin kiintoainepitoisuus Kiintoainepartikkelien määrän kasvaessa katodin laatu heikkenee epäpuhtauksien päästessä liejusulkeumina katodille. Elektrolyytin kiintoainepitoisuuteen vaikuttaa eniten: Liuosvirtaus Liuossyötöllä ja liuospoistolla säädetään kaikkia elektrolyytin aineominaisuuksiin liittyviä tekijöitä.

29 29 Elektrolyytin kiintoainepitoisuus on sitä korkeampi, mitä suurempia pitoisuuksia elektrolyytti sisältää epäpuhtauksia ja lisäaineita. Anodien kemiallinen laatu vaikuttaa kiintoainepitoisuuteen kasvattaen elektrolyytin epäpuhtaustasoa. Mitä enemmän anodi sisältää epäpuhtauksia, sitä korkeampia elektrolyytin epäpuhtauspitoisuudet ovat Elektrolyytin viskositeetti ja tiheys Viskositeetin kasvu vaikuttaa kiintoainepartikkelien laskeutumiseen elektrolyytissä ja näin lisää niiden pitoisuutta elektrolyytissä, mikä johtaa katodin laadun heikkenemiseen epäpuhtauksien päästessä liejusulkeumina katodille. Viskositeettiin ja tiheyteen vaikuttavat suureet: Elektrolyytin lämpötila Lämpötilan noustessa elektrolyytin viskositeetti alenee. Elektrolyytin H 2 SO 4 -pitoisuus Korkea happopitoisuus kasvattaa elektrolyytin viskositeettiä ja tiheyttä. Elektrolyytin Cu-pitoisuus Elektrolyytin korkea kuparipitoisuus kasvattaa sekä viskositeettiä että tiheyttä. Lisäksi elektrolyytin kiintoainepitoisuuteen nostavasti vaikuttavat suureet, epäpuhtauspitoisuus sekä lisäainepitoisuus, kohottavat elektrolyytin viskositeettiä ja tiheyttä. Myös anodin kemiallinen laatu vaikuttaa kyseisiin ominaisuuksiin Anodien passivoituminen Anodien passivoituminen vaikuttaa heikentävästi sekä katodin laatuun että virtahyötysuhteeseen. Anodien passivoitumiseen vaikuttavat erityisesti seuraavat suureet: Virrantiheys Liian korkea virrantiheys aiheuttaa passivoitumista.

30 30 Elektrolyytin lämpötila Korkea lämpötila (n. 65 C) ehkäisee passivoitumista parantaen kuparisulfaatin liukoisuutta. Liian matala lämpötila aiheuttaa kuparisulfaatin kiteytymisen anodin pintakerrokseen, joka estää anodin liukenemisen (passivoituminen). Elektrolyytin H 2 SO 4 -pitoisuus Matalahko happopitoisuus pitää elektrolyytin kokonaissulfaattipitoisuuden riittävän alhaalla estäen anodien passivoitumisen. Korkea happopitoisuus kasvattaa anodien passivoitumisen riskiä lisäten elektrolyytin kokonaissulfaattipitoisuutta (H 2 SO 4 -pitoisuus normaalisti g/l, BOHA:ssa tavoitearvo g/l). Elektrolyytin Cu-pitoisuus Liian korkea Cu-pitoisuus aiheuttaa anodien passivoitumista (Cupitoisuus normaalisti g/l, BOHA:ssa tavoitearvo g/l). Anodien kemiallinen laatu Anodit, joilla on korkea epäpuhtaustaso, passivoituvat helpommin. Lisäksi runsaasti epäpuhtauksia sisältävät anodit lisäävät elektrolyytin epäpuhtaustasoa, mikä vaikuttaa anodien passivoitumiseen. Erityisesti nikkelin korkea pitoisuus elektrolyytissä kasvattaa riskiä. Liuospoistolla voidaan elektrolyytistä poistaa komponentteja, jotka aiheuttavat passivoitumista. Liian pieni allaskohtainen liuosvirtaus taas laskee elektrolyytin lämpötilaa, joka voi johtaa kuparisulfaatin kiteytymiseen ja anodien passivoitumiseen Virranjakautuma altaassa Elektrolyysialtaan virranjakautuma on monessa suhteessa tärkeä parametri prosessin toimivuudelle. Epätasainen virranjakautuma aiheuttaa ongelmia sekä katodin laatuun että sähköenergian kulutukseen. Virtahyötysuhteeseen se vaikuttaa heikentävästi aiheuttaen oikosulkuja. Lisäksi katodin laatuun epätasainen virranjakautuma vaikuttaa heikentävästi mm. aiheuttamalla kasvannaisten muodostumista katodilla.

31 31 Epätasaisen virranjakautuman aiheuttavat mm. seuraavat tekijät: fysikaalisesti huonolaatuiset anodit ja/tai katodit rihtausvirheet (elektrodien etäisyydet) kontaktien huono kunto (esim. lika kontaktipaikoissa) anodien passivoituminen Elektrolyytin johtokyky Elektrolyytin sähkönjohtokyvyllä on vaikutusta sekä katodin laatuun että sähköenergian kulutukseen. Se vaikuttaa merkittävästi jännitehäviöön elektrolyytissä sekä sähkövirran kulkuun altaissa ja sitä kautta virranjakautumaan. Elektrolyytin johtokykyyn vaikuttavat suureet: Elektrolyytin lämpötila Lämpötilan kohotessa elektrolyytin sähkönjohtokyky kasvaa. Elektrolyytin H 2 SO 4 -pitoisuus Elektrolyytin rikkihappopitoisuuden noustessa johtokyky kasvaa. Elektrolyytin Cu-pitoisuus Elektrolyytin korkea kuparipitoisuus alentaa sähkönjohtokykyä. Elektrolyytin epäpuhtaudet Korkea epäpuhtaustaso heikentää elektrolyytin johtokykyä. Elektrolyytin lisäainekombinaatio vaikuttaa osaltaan sähkönjohtokykyyn, mutta sen vaikutus on erittäin vähäinen. 6.2 Sähköenergian kulutus Sähköenergian kulutus on tärkein mittari elektrolyysiprosessin taloudellisuudelle. Prosessin energian käyttö muodostuu sähköenergiasta ja höyrystä. Jännitehäviö altaassa (allasjännite) määrää sähköenergian kulutuksen kuparikiloa kohden. Tämä ns. ominaissähköenergian kulutus on suoraan verrannollinen allasjännitteeseen ja kääntäen verrannollinen virtahyötysuhteeseen. Tämä tarkoittaa, että mitä suurempi allas-

32 32 jännite ja mitä pienempi virtahyötysuhde, sitä suurempi ominaissähköenergian kulutus. BOHA:n kuparielektrolyysissä ominaissähköenergian kulutus elektrolyysialtaissa on hieman alle 400 kwh/t Cu. /5, s. 11/ Prosessisuureiden vaikutusta sähköenergian kulutukseen on havainnollistettu kuvassa 9. Anodien hyötysuhde passivoituminen Lähtösuureet 1 Virrantiheys 2 Elektrolyytin lämpötila Liuosvirtaus 4 Elektrolyytin H 2 SO 4 -pit. 5 Elektrolyytin Cu-pit. 6 Elektrolyytin Sähköenergian kulutus Virranjakautuma altaassa Oikosulut Virta- epäpuhtaudet 7 Elektrolyytin lisäaineet Allasjännite Kontaktihäviöt Rihtaus 9 Kestokatodien laatu 10 Anodien Katodinen polarisaatio fys. laatu 11 Anodien kem. laatu Anodinen polarisaatio Katodien kasvujakso 13 Kontaktien Elektrolyytin johtokyky kunto 14 Allaspeitteiden käyttö Kuva 9. Kaavio sähköenergian kulutukseen vaikuttavista prosessisuureista (punaiset numerot ovat muuttujiin suoraan vaikuttavia lähtösuureita).

33 Virtahyötysuhde Elektrolyysissä virtahyötysuhteella tarkoitetaan todellisen punnitun kuparin määrän ja käytetyllä virralla (kah) teoreettisesti saostetun kuparin määrän suhdetta. Faradayn lain mukaan teoreettisesti kuparia saostuu 1,185 kg käytettyä kiloampeerituntia kohden. Näin ollen, mitä suurempi elektrolyysivirta, sen enemmän kuparia saadaan tuotettua. Virtahyötysuhde elektrolyyseissä vaihtelee normaalisti % välillä. /5, s. 11/ Seuraavat tekijät vaikuttavat erityisen paljon virtahyötysuhteeseen: virrantiheys elektrodien välimatka anodien fysikaalinen laatu kestokatodien fysikaalinen laatu elektrolyytin lisäaineet oikosulkujen etsinnän ja poiston tehokkuus elektrolyytin epäpuhtaustaso Jännitehäviö Jännitehäviö elektrolyysialtaassa muodostuu seuraavista tekijöistä: jännitehäviö elektrolyytissä katodinen polarisaatio anodinen polarisaatio kontaktihäviöt Näistä yksittäisistä häviöistä suurin on jännitehäviö elektrolyytissä, johon vaikuttaa eniten rihtaus eli elektrodien välinen etäisyys (mitä pienempi etäisyys, sitä pienempi jännitehäviö). Elektrolyytin johtokyvyllä on myös suuri vaikutus jännitehäviöön. /5, s /

34 34 Kontaktihäviöiden suuruuteen vaikuttaa tietysti eniten kontaktien kunto. Elektrodikontaktien kunto vaikuttaa oleellisesti virranjakautumaan elektrolyysialtaassa. Tavoitteena on mahdollisimman pieni ja tasainen jännitehäviö kontaktikohdissa. Tämän takia allasta ladattaessa on kiinnitettävä erityisesti huomioita siihen, että elektrodien ja virtakiskojen kosketuspinnat ovat puhtaat ja kosteat. /5, s. 12/ Oikosulut Oikosulut vaikuttavat heikentävästi virtahyötysuhteeseen. Oikosulkuja syntyy, kun anodin ja katodin etäisyys pienenee paikallisesti, jolloin ne kasvavat lopulta toisiinsa kiinni. Koska elektrodit ovat kytketty altaaseen rinnan, suurin osa syötetystä virrasta kulkee pienimmän vastuksen eli oikosulun kautta. Tässä tapauksessa yksittäinen elektrodipari kuumenee voimakkaasti ja altaan elektrodien välinen jännite laskee. /8, s. 20/ Oikosulkujen takia elektrolyysialtaat tarkastetaan säännöllisesti ja niiden havaitsemiseen on kehitetty erilaisia automaattisia menetelmiä, jotka perustuvat lämpösäteilyn mittaamiseen ja allasjännitteen tarkkailuun. Oikosulkuja poistetaan poistamalla katodin pintaan muodostunut kasvannainen. /8, s. 20/ Oikosulkuja aiheuttavia kasvannaisia katodin pinnalla sekä oikosulku lämpökameran näytöllä löytyvät kuvasta 10. Kuva 10. Vasemmalla oikosulkuja aiheuttavia kasvannaisia (ns. marjoja) katodin pinnalla, oikealla oikosulku lämpökameran näytöllä.

35 35 Oikosulkuihin vaikuttaa seuraavat suureet: Rihtaus Rihtausvirheet johtavat oikosulkuihin aiheuttamalla epätasaisen virranjakautuman elektrolyysialtaassa. Kestokatodien laatu Fysikaalisesti huonolaatuiset kestokatodit, joiden pinta ei ole tasomainen, aiheuttavat epätasaisen virranjakautuman, joka johtaa oikosulkuihin. Anodien fysikaalinen laatu Fysikaalisesti huonolaatuiset anodit aiheuttavat epätasaisen virranjakautuman elektrolyysialtaassa johtaen oikosulkuihin. 6.3 Höyryn kulutus Sähköenergia muuttuu altaissa lämpöenergiaksi, muuta tämä ei kuitenkaan riitä pitämään elektrolyytin lämpötilaa vakiona vaan lisäksi on käytettävä höyryä elektrolyytin lämmittämiseen. /5, s. 12/ Yleinen käytäntö on, että elektrolyytti kulkee lämmönsiirtimen läpi, jossa sitä lämmitetään höyryn avulla, ennen kuin se syötetään altaisiin. Höyryn kulutukseen vaikuttavien prosessisuureiden vaikutusta on havainnollistettu kuvassa 11.

36 36 Lähtösuureet Höyryn kulutus Jännitehäviö elektrolyytissä Elektrolyytin johtokyky Virrantiheys 2 Elektrolyytin lämpötila 3 Liuosvirtaus 4 Elektrolyytin H 2 SO 4 -pit. 5 Elektrolyytin Cu-pit. 6 Elektrolyytin epäpuhtaudet 7 Elektrolyytin lisäaineet 8 Rihtaus 9 Kestokatodien laatu 10 Anodien fys. laatu 11 Anodien kem. laatu 12 Katodien kasvujakso 13 Kontaktien kunto 14 Allaspeitteiden käyttö Kuva 11. Kaavio höyryn kulutukseen vaikuttavista prosessisuureista (punaiset numerot ovat muuttujiin suoraan vaikuttavia lähtösuureita). Höyryn kulutukseen vaikuttavat lähtösuureista elektrolyytin lämpötila sekä allaspeitteiden käyttö. Korkeampi lämpötila kasvattaa haihtumista, joten lämpöä kuluu nopeammin. Allaspeitteet toimivat eristeinä, joten niiden käyttö vähentää höyryn tarvetta. Ne ehkäisevät veden haihtumista ja kohottavat elektrolyytin lämpötilaa. Allaspeitteiden käytössä on kuitenkin huomioitava, että elektrolyytin usean asteen vuorokautinen lämpötilavaihtelu ei ole hyväksi elektrolyysiprosessille.

37 37 7 PORIN KUPARIELEKTROLYYSIN JA MUIDEN TUOTANTOLAITOSTEN OPEROINTIARVOJA Yhtenä työn tarkoituksista oli tarkastella eri tuotantolaitosten operointiarvoja ja vertailla niitä Porin kuparielektrolyysissä käytettäviin arvoihin. Vertailtaviksi tuotantolaitoksiksi valittiin: Boliden (Rönnskär, Ruotsi) Aurubis (Hampuri, Saksa) Atlantic Copper (Huelva, Espanja) Kennecott (Utah, USA) Codelco Norte (Chuquicamata, Chile) Porin kuparielektrolyysin operointiarvot ovat vuoden 2011 keskiarvoja ja Bolidenin Rönnskärin tuotantolaitoksen arvot vuoden 2010 keskiarvoja. Muiden laitosten arvot ovat kirjallisuudesta löydettyjä mahdollisimman uusia arvoja. Laitosten operointiarvot on esitetty taulukoissa 3 ja 4. Kaikkien tuotantolaitoksien operointiarvoista laskettiin elektrolyytin aineominaisuudet, jotka vaikuttavat merkittävästi prosessin toimivuuteen. Tärkeimpiä elektrolyytin aineominaisuuksia ovat viskositeetti, tiheys ja johtokyky, jotka on laskettu tässä kappaleessa. Elektrolyytin johtokyvystä laskettiin myös jännitehäviö elektrolyytissä, joka on sähköenergian kulutuksen kannalta merkittävimpiä yksittäisiä suureita.